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PLC 机械手供料站
毕 业 综 合 实 践 报 告

摘 要
自动生产线的最大特点是它的综合性和系统性，综合性主要涉及机械技术、微电子技术、电工电子技术、传感检测技术、接口技术、信息变换技术、网络通信技术等多种技术有机地结合，并综合应用到生产设备中；而系统性的是生产线的传感检测、传输与处理、控制、执行与驱动等机构在微处理单元的控制下协调有序地工作，有机地融合在一起。本系统完成一个工件的拆卸、分拣工作，模拟一个生产流水线的生产过程。首先由供料站提供原料，运输站将其送至加工站加工，然后送至装配站进行安装，最后由分拣站进行分拣。设计以送料、加工、装配、输送、分拣等工作单元作为自动生产线的整体设计，构成一个典型的自动生产线的机械平台，系统各机构采用了气动驱动、变频器驱动和步进（伺服）电机位置控制等技术。系统的控制方式采用每一工作单元由一台PC承担其控制任务，各PLC之间通过RS485串行通讯实现互连的分布式控制方式。所以，本设计综合应用了多种技术知识，如气动控制技术、机械技术（机械传动、机械连接等）、传感器应用技术、PLC控制和组网、步进电机位置控制和变频器技术等。

关键词：网络 组态 自动化 PLC 电机
目 录
第一章 概 述 1
第二章 PLC简介 2
2.1 PLC的基本概念 2
2.2 PLC的基本结构 2
2.3 PLC的工作原理 3
2.4 PLC的特点 3
2.5 PLC的应用与发展前景 4
第三章 自动生产线的组成及基本功能 5
3.1 基本组成 5
3.2 基本功能 6
第四章 电气控制 7
4.1 接线端子及主令部件 7
4.1.1 接线端子 7
4.1.2 控制系统 8
4.2 能源部件 9
4.2.1 供电电源 9
4.2.2 气源处理装置 10
4.3 RS-485总线的电气连接 11
第五章 供料与加工单元控制系统 12
5.1 供料单元的结构和工作过程 12
5.2 供料单元的PLC工作任务 13
5.3 供料单元的编程思路 14
5.4 PLC的I/O分配及系统安装接线 14
5.5 供料加工单元气动控制回路 16
总 结 17
致 谢 18
参 考 文 献 19
附录1 主程序结构 20
附录2 主工艺控制过程单序列的步进顺序程序 21
附录3 供料与加工单元电气原理图 22
毕业综合实践成绩评定 23

第一章 概 述
二十世纪以来，为了实现自动化，人们研究和制造了成千上万种自动控制系统，极大地推动了生产劳动、社会服务、军事工程和科学研究等活动。随着自动化技术的发展，这是机械化、电气化和自动控制相结合的结果，处理的对象是离散工件。早期的机械制造自动化是采用机械或电气部件的单机自动化或是简单的自动生产线。20世纪60年代以来，由于电子计算机的应用，出现了数控机床、加工中心、机器人、计算机辅助设计、计算机辅助制造、自动化仓库等。研制出适应多品种、小批量生产型式的柔性制造系统 (FMS)。以柔性制造系统为基础的自动化车间，加上信息管理、生产管理自动化，出现了采用计算机集成制造系统(CIMS)的工厂自动化（FA）。
现代生产和科学技术的发展，对自动化技术提出越来越高的要求，同时也为自动化技术的革新提供了必要条件。70年代以来，自动化开始向复杂的系统控制和高级的智能控制发展，并广泛地应用到国防、科学研究和经济等各个领域，实现更大规模的自动化，例如大型企业的综合自动化系统、全国铁路自动调度系统、国家电力网自动调度系统、空中交通管制系统、城市交通控制系统、自动化指挥系统、国民经济管理系统等。
本系统模拟一个生产流水线的生产过程，完成一个工件的拆卸、分拣工作。首先由供料站提供原料，运输站将其送至加工站加工，然后送至装配站进行安装，最后由分拣站进行分拣。整个过程要充分考虑生产过程中所出现的情况，对各种生产要求进行处理，系统分成五个操作站：供料站、安装站、加工站、运输站、分拣站。整个系统基于西门子PLC的N:N网络，包括变频器、伺服控制等。是各种电气控制的综合应用。本项目由本人独立完成，在项目实施过程中，本人不断调试，其中包括程序的编制、机械部分的安装、电气原理图和气路的设计和连接、变频器和伺服放大器的参数都严格控制。
第二章 PLC简介
PLC（Programmable Logic Controller)是可编程逻辑控制器。它采用一类可程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
2.1 PLC的基本概念
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC，plc自1969年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国，日本，德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。
2.2 PLC的基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：
1.电源 2.中央处理单元(CPU) 3.存储器
4.输入输出接口电路 5.功能模块 6.通信模块
2.3 PLC的工作原理
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
1.输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
2.用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
3.输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。
2.4 PLC的特点
PLC 具有以下鲜明的特点。
1.系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回 路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如 DDC 和 DCS 等，实现生产过程的综合自动化。
2.使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。
3.能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型。
2.5 PLC的应用与发展前景
1.PLC的应用
①开关量逻辑控制
自动生产线、机床电器控制、冲压机械、运输带、包装机、飞剪等控制。
②运动控制
金属切削机床、金属成型机械、装配机器人、电梯等。
③闭环过程控制
温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。
④数据处理
数学运算、数据传输、转换、排序、查表、位操作。
⑤通信联网
PLC与远程I/O、PLC之间、PLC与其它智能控制器之间。

2.PLC发展前景
增强抗干扰性。如生产环境过于恶劣，或是电磁干扰异常强烈则也可造成PLC控制系统的运算或是控制错误，导致在某些生产环节出现错误而不能保证正常的生产运行，因此，提高PLC的可靠性是其未来发展的主要方向，其一方面要提高抗干扰能力同时在设计、安装以及使用过程中引起重视，尽量减少对其造成负面影响。网络化、数字化。目前用于火电系统控制系统的DCS虽技术日益成熟但近年来其发展日趋缓慢，PLC的产生及发展使其与DCS相互吸收彼此特点，逐步同化，并逐步发展成为新的控制系统——FCS系统，其既保留了原来系统的特性又实现了工业自动化技术的发展，并使数字化、智能化控制得到进一步的发展和应用，因此其近年来在火电厂的应用日益广泛。

第三章 自动生产线的组成及基本功能
3.1 基本组成
自动生产线由安装在铝合金导轨式台面上的供料单元、加工单元、装配单元、输送单元和分拣单元5个单元组成。其外观如图3-1所示。

其中，每一工作单元都可自成一个独立的系统，同时也都是一个机电一体化的系统。各个单元的执行机构基本上以气动执行机构为主，但输送单元的机械手装置整体运动则采取步进电机驱动、精密定位的位置控制，该驱动系统具有长行程、多定位点的特点，是一个典型的一维位置控制系统。分拣单元的传送带驱动则采用了通用变频器驱动三相异步电动机的交流传动装置。位置控制和变频器技术是现代工业企业应用最为广泛的电气控制技术。
设计中应用了多种类型的传感器，分别用于判断物体的运动位置、物体的状态、物体的颜色及材质等。
3.2 基本功能
供料单元的基本功能：供料单元是本次设计中的起始单元，在整个系统中，起着向系统中的其他单元提供原料的作用。具体的功能是：按照需要将放置在料仓中待加工工件（原料）自动地推出到物料台上，以便输送单元的机械手将其抓取，输送到其他单元上。如图3-2所示为供料单元实物的全貌。

第四章 电气控制

4.1 接线端子及主令部件
4.1.1 接线端子
本次任务的设备中的各工作单元的结构特点是机械装置和电器控制部分的相对分离。每一工作单元机械装置整体安装在地板上，而控制工作单元生产过程的PLC装置则安装在工作台两侧的抽屉板上，因此，工作单元机械装置与PLC装置之间的信息交换是一个关键的问题。解决方案是：机械装置上的各电磁阀和传感器的引线连接到装置侧接线端口上，PLC的I/O引出线则连接到PLC侧的接线端口上。两个连线端口间通过多芯信号电缆互联。图4-1和图4-2分别是装置侧的接线端口和PLC侧的接线端口。

装置侧的接线端口的接线端子采用三层端子结构，上层端子用以连接DC24V电源的+24V端，底层端子用以连接DC24V电源的0V端，中间层端子用以连接各信号线。
PLC侧的接线端口的接线端子采用两层端子结构，上层端子用以连接各信线，其端子号与装置侧的接线端口的接线端子相对应。底层端子用以连DC24V电源的+24V端和0V端。
装置侧的接线端口和PLC侧的接线端口之间通过专用电缆连结。其中25针接头电缆连接PLC的输入信号，15针接头电缆连接PLC的输出信号。
4.1.2 控制系统
任务每一工作单元都可自成一个独立的系统，同时也可以通过网络互连构成一个分布式的控制系统。
1、当工作单元自成一个独立的系统时，其设备运行的主令信号以及运行过程中的状态显示信号，来源于该工作单元按钮指示灯模块。按钮指示灯模块如图4-3所示。模块上的指示灯和按钮的端脚全部引到端子排上。

模块盒上器件包括：
⑴指示灯（24VDC）：黄色（HL1）、绿色（HL2）、红色（HL3）各一只。
⑵主令器件： 绿色常开按钮SB1一只 红色常开按钮SB2一只
选择开关SA（一对转换触点） 急停按钮QS（一个常闭触点）
2、当各工作单元通过网络互连构成一个分布式的控制系统时，对于采用三菱FX系列PLC的设备，各工作站PLC配置如下：
⑴输送单元：FX1N-40MT主单元，共24点输入，16点晶体管输出。
⑵供料单元：FX2N-32MR主单元，共16点输入16点继电器输出。
⑶加工单元：FX2N-32MR主单元，共16点输入，16点继电器输出。
⑷装配单元：FX2N-48MR主单元，共24点输入，24点继电器输出。
⑸分拣单元：FX2N-32MR主单元，共16点输入，16点继电器输出。
4.2 能源部件
4.2.1 供电电源
外部供电电源为三相五线制AC 380V/220V，图4-4与图4-5为供电电源模块一次回路原理图与实物图。图中，总电源开关选用DZ47LE-32/C32型三相四线漏电开关。系统各主要负载通过自动开关单独供电。其中，变频器电源通过DZ47C16/3P三相自动开关供电；各工作站PLC均采用DZ47C5/2P单相自动开关供电。此外，系统配置4台DC24V6A开关稳压电源分别用作供料、加工和分拣单元，及输送单元的直流电源。

4.2.2 气源处理装置
本次任务的气源处理组件及其回路原理图分别如图4-6所示。气源处理组件是气动控制系统中的基本组成器件，它的作用是除去压缩空气中所含的杂质及凝结水，调节并保持恒定的工作压力。在使用时，应注意经常检查过滤器中凝结水的水位，在超过最高标线以前，必须排放，以免被重新吸入。气源处理组件的气路入口处安装一个快速气路开关，用于启/闭气源，当把气路开关向左拔出时，气路接通气源，反之把气路开关向右推入时气路关闭。
气源处理组件输入气源来自空气压缩机，所提供的压力为0.6～1.0MPa， 输出压力为0～0.8MPa可调。输出的压缩空气通过快速三通接头和气管输送到各作单工元。
4.3 RS-485总线的电气连接
网络安装前，应断开电源。各站PLC应插上485-BD通信板。它的LED 显示/端子排列如图4-7所示。

在N：N链接网络，各站点间用屏蔽双绞线相连，如图4-8所示，接线时须注意终端站要接上110欧姆的终端电阻（485BD板附件）。

第五章 供料与加工单元控制系统
5.1 供料单元的结构和工作过程
供料单元的主要结构组成为：工件装料管，工件推出装置，支撑架，阀组，端子排组件，PLC，急停按钮和启动/停止按钮，走线槽、底板等。其中，机械部分结构组成如图5-1所示。

其中，管形料仓和工件推出装置用于储存工件原料，并在需要时将料仓中最下层的工件推出到出料台上。它主要由管形料仓、推料气缸、顶料气缸、磁感应接近开关、漫射式光电传感器组成。
该部分的工作原理是：工件垂直叠放在料仓中，推料缸处于料仓的底层并且其活塞杆可从料仓的底部通过。当活塞杆在退回位置时，它与最下层工件处于同一水平位置，而顶料气缸则与次下层工件处于同一水平位置。在需要将工件推出到物料台上时，首先使夹紧气缸的活塞杆推出，压住次下层工件；然后使推料气缸活塞杆推出，从而把最下层工件推到物料台上。在推料气缸返回并从料仓底部抽出后，再使夹紧气缸返回，松开次下层工件。这样，料仓中的工件在重力的作用下，就自动向下移动一个工件，为下一次推出工件做好准备。
在底座和管形料仓第4层工件位置，分别安装一个漫射式光电开关。它们的功能是检测料仓中有无储料或储料是否足够。若该部分机构内没有工件，则处于底层和第4层位置的两个漫射式光电接近开关均处于常态；若仅在底层起有3个工件，则底层处光电接近开关动作而第4层处光电接近开关常态，表明工件已经快用完了。这样，料仓中有无储料或储料是否足够，就可用这两个光电接近开关的信号状态反映出来。
推料缸把工件推出到出料台上。出料台面开有小孔，出料台下面设有一个园柱形漫射式光电接近开关，工作时向上发出光线，从而透过小孔检测是否有工件存在，以便向系统提供本单元出料台有无工件的信号。在输送单元的控制程序中，就可以利用该信号状态来判断是否需要驱动机械手装置来抓取此工件。
5.2 供料单元的PLC工作任务
本章节只考虑供料单元作为独立设备运行时的情况，单元工作的主令信号和工作状态显示信号来自PLC旁边的按钮/指示灯模块。并且，按钮/指示灯模块上的工作方式选择开关SA应置于“单站方式”位置。具体的控制要求为：
① 设备上电和气源接通后，若工作单元的两个气缸均处于缩回位置，且料仓内有足够的待加工工件，则“正常工作”指示灯HL1常亮，表示设备准备好。否则，该指示灯以1Hz 频率闪烁。
② 若设备准备好，按下启动按钮，工作单元启动，“设备运行”指示灯HL2常亮。启动后，若出料台上没有工件，则应把工件推到出料台上。出料台上的工件被人工取出后，若没有停止信号，则进行下一次推出工件操作。
③ 若在运行中按下停止按钮，则在完成本工作周期任务后，各工作单元停止工作，HL2指示灯熄灭。
④ 若在运行中料仓内工件不足，则工作单元继续工作，但“正常工作”指示灯HL1以1Hz的频率闪烁，“设备运行”指示灯HL2保持常亮。若料仓内没有工件，则HL1指示灯和HL2指示灯均以2Hz频率闪烁。工作站在完成本周期任务后停止。除非向料仓补充足够的工件，工作站不能再启动。
5.3 供料单元的编程思路
1、自动生产线工作过程的通常要求
① 系统上电后检查是否准备就绪,只有准备就绪才允许启动系统,投入运行状态。
② 主工艺控制过程是顺序控制过程。
③ 正常停止的要求发出停止指令后,一般要求一个工作周期结束后才停止运行。
2、供料单元编程思路
① 主程序结构 （见附录1）
② 主工艺控制过程单序列的步进顺序程序（见附录2）
③ 状态指示子程序调用
④ 用一个按钮控制系统启动/停止的方法。
5.4 PLC的I/O分配及系统安装接线
1、供料单元装置侧的接线端口上各电磁阀和传感器的引线安排如表5-2所示。

2、根据工作单元装置的I/O信号分配（表5-2）和工作任务的要求供料单元PLC选用FX2N-32MR主单元，共16点输入和16点继电器输出。同时选用三菱FX2N-8ER扩展模块，共4点输入和4点继电器输出。PLC的I/O信号分配如表5-3所示，接线原理图则见附录1。

5.5 供料加工单元气动控制回路
供料单元气动控制回路的工作原理如图5-4所示。图中1A和2A分别为推料气缸和顶料气缸。1B1和1B2为安装在推料缸的两个极限工作位置的磁感应接近开关，2B1和2B2为安装在推料缸的两个极限工作位置的磁感应接近开关。1Y1和2Y1分别为控制推料缸和顶料缸的电磁阀的电磁控制端。通常，这两个气缸的初始位置均设定在缩回状态。

总 结
通过本次的学习让我的学习能力有了很大的提高，在任务设计中让我对自动化生产线有所了解。一方面自动化生产线包括诸多方面的知识如：机械技术、微电子技术、电工电子技术、传感测试技术、接口技术、信息变换技术、网络通信技术等多种技术有机地结合，并综合应用到生产设备中；另一方面对于模拟的一个自动化生产线的工作流程有个基本概念。一个自动化生产线的基本组成部分有传感检测、传输与处理、控制、执行与驱动等机构在微处理单元的控制下协调有序地工作，有机地把这些独立部分融合在一起。在这次设计中应用PLC技术，它是一门实践性很强的专业课程，PLC编程控制器技术在当今社会发展异常迅速，各生产厂家也推出了许多强大的新型PLC、各种特殊模块和通信联网器件，使可编程控制器成为集微机技术、自动化技术、通信技术于一体的通用工业控制装置，成为实现工业自动化的一种强有力的工具。经过这次设计我学到很多很多的的东西，不仅巩固了以前所学过的知识，而且通过这次课程设计使我运用了课堂上的理论与实际相结合重要性，既要从理论中分析问题，又要从实际中解决问题发现才是根本。所以把所学的理论知识与实践相结合起来，才能真正的学学以至用。
致 谢
三年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。三年的求学生涯在师长、亲友的大力支持下，走的艰辛却也收获满囊，在论文即将付梓之际，思绪万千，心情久久不能平静。伟人、名人为我所崇拜，可是我更急切的要把我的敬意和赞美献给一位平凡的人，我的指导老师。我不是您最出色的学生，而您却是我最尊敬的老师。您治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的精神氛围。授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了基本的思考方式，常常让我有“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”。
感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚谢意！
这三年中还得到众多老师的关心支持和帮助。在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意。
同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。
最后再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮过我的良师益友和同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。

参 考 文 献

吕景泉.可编程序控制器及其应用[M].北京：机械工业出版社，2001
北京昆仑通态自动化软件科技有限公司.MCGS嵌入式用户手册[Z].北京：北京昆仑通态自动化软件科技有限公司，2000
杨长能，张光毅.可编程序控制器基础及其应用[M]．重庆大学出版社，1992
廖常初.PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2005
北京昆仑通态自动化软件科技有限公司.MCGS用户指南[Z].北京：北京昆仑通态自动化软件科技有限公司，2005
江正战.串行通信接口标准RS-423/422/485及其应用[J]．电子技术应用，1994
蔡红斌.电气与 PLC 控制技术[M].北京：清华大学出版社,2007
范永胜，王岷主编.电气控制与 PLC 应用[M].北京：中国电力出版社,2004
陈立定.电气控制与可编程控制器[M].北京：高等教育出版社,2002
高勤.电气及 PLC 控制技术[M].北京：高等教育出版社,2002
钟肇新，彭侃.可编程控制器原理及应用[M].北京：华南理工大学出版社出版2000
附 录
附录1 主程序结构

附录2 主工艺控制过程单序列的步进顺序程序

附录3 供料与加工单元电气原理图

毕业综合实践成绩评定

实践报告指导教师评语 ：

平时成绩：
报告成绩： 教师签字：
年 月 日

答辩教师评语：

成绩： 教师签字：
年 月 日

毕业综合实践总评成绩：
备注：毕业综合实践成绩由平时成绩（占20%）、书面材料评阅成绩（占60%）、答辩成绩（占20%）三部分组成，按百分制折算为五级记分制，即优秀（90～100分）、良好（80～89分）、中等（70～79分）、及格（60～69分）、不及格（59分以下）。